陣列天氣雷達設計與初步實現(xiàn)

馬舒慶 陳洪濱 王國榮 甄小瓊3)4) 許曉平 李思騰

1)(中國氣象局氣象探測中心， 北京 100081)2)(中國科學院大氣物理研究所， 北京 100029)3)(成都信息工程大學電子工程學院， 成都 610225)4)(中國科學院大學， 北京 100049)5)(湖南宜通華盛科技有限公司， 長沙 410000)6)(中國氣象局北京城市研究所， 北京 100089)

引 言

美國大氣科學和氣候?qū)I(yè)委員會，美國地球科學、環(huán)境和資源委員會，美國國家研究委員會共同編寫的《進入21世紀的大氣科學》[1]明確提出了大氣科學發(fā)展中面臨的新挑戰(zhàn)、新問題,其中一個問題是全面認識小尺度環(huán)流以及與其他尺度環(huán)流的相互作用，這種認識對大氣科學發(fā)展和防御氣象災害能力的提高有極其重要意義。在大氣科學發(fā)展趨勢下，天氣雷達也針對探測小尺度天氣系統(tǒng)的需求不斷發(fā)展。近10年來，X波段天氣雷達在國際上(以美國為代表)再次形成應用熱點的主要形式是短程網(wǎng)絡化探測。這里的短程指幾十千米，雷達與雷達之間相距幾十千米，與早期X波段天氣雷達應用于200～300 km探測大不相同。幾十千米正是X波段天氣雷達大多數(shù)降水天氣條件下能夠穿透的距離。2003年美國開始了CASA(collaborative adaptive seansing of the atmosphere)計劃[2]，提出了網(wǎng)絡化天氣雷達概念，利用多部X波段小功率短程天氣雷達組成網(wǎng)絡化雷達系統(tǒng)，通過分布式協(xié)同自適應探測(distributed collaborative adaptive sensing,DCAS)模式[3]，實現(xiàn)對關(guān)注區(qū)域進行高時空分辨率的探測，彌補現(xiàn)有長程雷達的探測盲區(qū)。位于美國俄克拉荷馬州的西南部的網(wǎng)絡化雷達，主要研究低空風災及相關(guān)災害性天氣的探測。4部雷達分布在近似菱形的頂點，雷達間相距約25 km。2007年IP2(Integrative Projects 2)安裝在美國德克薩斯州的休斯敦，主要目的是改進城市洪水的監(jiān)測和預報。2010年1月IP3(Integrative Projects 3)成功安裝在波多黎各，研究復雜地形下的熱帶降水和由此引發(fā)的山洪和山體滑坡。IP4(Integrative Projects 4)主要研究無降水大氣中的風場測量，以改進關(guān)于對流發(fā)源地和污染物輸送的預報。IP5(Integrative Projects 5)是IP1的升級試驗平臺，綜合采用CASA工程中發(fā)展的技術(shù)。經(jīng)過不斷試驗和改進，CASA網(wǎng)絡化雷達通過DCAS模式實現(xiàn)了對關(guān)注區(qū)域進行高時空分辨率的探測[4]。

2013年由中國科學院大氣物理研究所與南京恩瑞特公司合作、中國氣象局氣象探測中心與中國氣象科學研究院參與籌建了國內(nèi)第1部網(wǎng)絡化雷達。網(wǎng)絡化雷達由4部X波段雷達組成，其中兩部是具有雙線偏振功能的全固態(tài)雷達，另外兩部為磁控管雷達。4部網(wǎng)絡化雷達架設在南京古平崗、句容、祿口和儀征，組成菱形分布，雷達間距離約為40 km。2013年6月架設完成，2013年6—10月、2014年5—10月進行了探測試驗[5]。

國內(nèi)外的網(wǎng)絡化雷達、美國的多普勒天氣雷達網(wǎng)和中國氣象局布設的多普勒天氣雷達網(wǎng)三者的最大區(qū)別在于后者每部雷達獨自探測，前者每部雷達協(xié)同探測，即網(wǎng)絡化雷達系統(tǒng)中的每部雷達是根據(jù)網(wǎng)絡化雷達系統(tǒng)規(guī)劃的統(tǒng)一探測目標和探測策略進行掃描探測。網(wǎng)絡化雷達系統(tǒng)應用研究表明：網(wǎng)絡化雷達可提高中小尺度危險天氣預報的準確性，延長預報預警時間[6-10]。從技術(shù)和經(jīng)濟等方面證明了網(wǎng)絡化雷達的可行性，并且為S/C波段雷達網(wǎng)絡提供有益補充。但由于上述網(wǎng)絡化雷達掃描速度慢，幾部雷達完成協(xié)同探測區(qū)需要1～2 min，協(xié)同探測的雷達相同空間的探測數(shù)據(jù)時間差即1～2 min，對變化速度快的小尺度天氣系統(tǒng)來說，無論是強度數(shù)據(jù)融合和速度數(shù)據(jù)合成均存在較大誤差，甚至使強度數(shù)據(jù)融合和速度數(shù)據(jù)合成失效。2002年美國強風暴實驗室(NSSL)聯(lián)合多家單位將宙斯盾戰(zhàn)斗系統(tǒng)上的相控陣雷達改裝成一個相控陣天氣雷達(NWRT)，并進行了外場探測試驗，這是天氣雷達歷史上的第1部具有相控陣天線的快速掃描雷達[11]，隨著NWRT場外試驗展現(xiàn)出的精細化探測結(jié)果，相控陣技術(shù)逐漸走入天氣雷達領(lǐng)域。中國氣象科學研究院與中國電子科技集團公司第14所、第38所也研制了X波段相控陣天氣雷達。由于相控陣天線高昂的價格，科研人員從提高性價比的角度，開始研發(fā)X波段、一維相描(垂直方向為電掃描，水平方向為機械掃描)的相控陣天氣雷達。日本大坂大學聯(lián)合東芝公司研制了X波段的相控陣天氣雷達(PAWR)，安裝在大阪大學吹田校區(qū)，并于2012年7月開始進行場外試驗，該雷達可以在1 min內(nèi)對積雨云進行探測，通過該雷達的探測數(shù)據(jù)，證明了雷電活動和風暴結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[12]。為了發(fā)揮更大的作用，2016年該X波段PAWR還與安放在大阪機場的C波段多普勒天氣雷達進行聯(lián)合探測，發(fā)現(xiàn)添加了具有快速掃描功能的相控陣雷達的聯(lián)合探測使得一次下?lián)舯┝鞯木毥Y(jié)構(gòu)變化可以重現(xiàn)[13]。此外，該雷達與其他傳統(tǒng)雷達的聯(lián)合探測還可以重現(xiàn)氣旋增長過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及水平風切變現(xiàn)象[14]。為了研究雷暴起電和風暴動力學之間的關(guān)系，2017年日本氣象研究所等機構(gòu)的研究人員綜合研究了三維閃電定位網(wǎng)(Broadband Observation Network for Lightning and Thunderstorm，BOLT)數(shù)據(jù)、兩部相距54 km的X波段PAWR數(shù)據(jù)和一部C波段多普勒天氣雷達數(shù)據(jù)[15]。這也是在相控陣天氣雷達歷史上第1次采用兩部短程X波段相控陣雷達聯(lián)合觀測。該聯(lián)合探測方案中，兩部PAWR每隔30 s記錄1次三維降水結(jié)構(gòu)，覆蓋距離大約60 km。加入PAWR的聯(lián)合探測方案，克服了傳統(tǒng)網(wǎng)絡化雷達掃描速度慢、協(xié)同探測具有時間差的缺點，解決了機械掃描雷達構(gòu)成網(wǎng)絡化雷達存在的問題。這代表了網(wǎng)絡化雷達的新發(fā)展，也是天氣雷達精細化探測的發(fā)展方向。

2015年中國氣象局氣象探測中心設計了X波段陣列天氣雷達，并與有關(guān)廠家合作，在2017年研制出了第1套陣列天氣雷達。陣列天氣雷達是用相控陣收發(fā)子陣構(gòu)成的網(wǎng)絡化天氣雷達，也可以說是分布式相控陣天氣雷達。與日本大坂大學的相控陣構(gòu)成的網(wǎng)絡化天氣雷達相同之處是采用了相控陣技術(shù)，不同點是陣列天氣雷達必需3個相控陣收發(fā)子陣為一組完成協(xié)同探測。

1 陣列天氣雷達結(jié)構(gòu)

最初的天氣雷達只能探測回波強度。多普勒天氣雷達的出現(xiàn)，實現(xiàn)了強度探測為主、輔之不完整的速度信息(徑向速度)的探測方式。陣列天氣雷達可完整探測降水粒子運動，將速度探測與強度探測結(jié)合，從而為更精細、更完整揭示小尺度天氣系統(tǒng)變化規(guī)律提供新工具。

陣列天氣雷達由控制數(shù)據(jù)處理中心和3個以上相控陣接收發(fā)射子陣(簡稱收發(fā)子陣)構(gòu)成。圖1為包括多個收發(fā)子陣的陣列天氣雷達結(jié)構(gòu)示意圖，稱其為陣列天氣雷達是因為其由多個收發(fā)子陣按照設定的規(guī)則分布和掃描。

圖1 陣列天氣雷達總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of an array weather radar(AWR)

收發(fā)子陣是陣列天氣雷達的前端，之所以稱之為收發(fā)子陣，而不是相控陣雷達，是因為收發(fā)子陣沒有獨自的控制和數(shù)據(jù)處理部分，不是完整的雷達。收發(fā)子陣采用相控陣技術(shù)，由天線陣列、收發(fā)(TR)模塊陣列、信號處理器陣列、方位旋轉(zhuǎn)伺服、同步和通信模塊等部分組成。收發(fā)子陣通過64個發(fā)射通道發(fā)射電磁波，在空中合成定向波束，64個接收通道接收云雨粒子散射回來的電磁波信息，并經(jīng)過放大、下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)、數(shù)字下變頻、數(shù)字波束形成、脈沖壓縮和譜分析得到云雨粒子的回波強度、多普勒徑向速度、徑向速度譜寬，將這些信息通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)娇刂婆c數(shù)據(jù)處理中心。收發(fā)子陣按三角形布局，即相鄰3個收發(fā)子陣構(gòu)成三角形。

控制與數(shù)據(jù)處理中心主要由控制服務器、數(shù)據(jù)處理服務器和數(shù)據(jù)存儲服務器等部分組成?？刂品掌骺刂剖瞻l(fā)子陣同步探測，將收發(fā)子陣按相鄰3個一組編組，按順序進行掃描；控制服務器另一功能是監(jiān)測收發(fā)子陣的運行狀態(tài)。數(shù)據(jù)處理服務器將收發(fā)子陣傳來的徑向速度數(shù)據(jù)合成速度矢量場V(x，y，z)，將3組強度數(shù)據(jù)融合為一個回波強度場Z(x，y，z)，形成高時空分辨目標物(云、雨體)三維流場和強度格點場。數(shù)據(jù)存儲服務器存儲、分發(fā)數(shù)據(jù)。

通信在陣列天氣雷達中起著至關(guān)重要的作用，它是實現(xiàn)同步探測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾画h(huán)。收發(fā)子陣與控制與數(shù)據(jù)處理中心之間數(shù)據(jù)傳輸有兩種鏈路：一種是無線信道，如4G信道；另一種是有線信道，如寬帶。

陣列天氣雷達主要技術(shù)指標見表1。

表1 陣列天氣雷達主要技術(shù)指標Table 1 Main technical indicators of AWR

2 陣列天氣雷達的收發(fā)子陣布局和探測區(qū)

陣列天氣雷達的基本布局方式為三角形布局，收發(fā)子陣設置在三角形的頂點，最典型的是等邊三角形布局，陣列天氣雷達收發(fā)子陣最基本布局為3個收發(fā)子陣布局。圖2為3個收發(fā)子陣布局及探測示意圖。由圖2可以看到,3個收發(fā)子陣構(gòu)成的中間三角形區(qū)域為三維精細探測區(qū)(圖2a)，在這個區(qū)域里的每個空間點都有3組強度數(shù)據(jù)Z1(x，y，z)，Z2(x，y，z)，Z3(x，y，z)和3組徑向速度數(shù)據(jù)V1(x，y，z)，V2(x，y，z)，V3(x，y，z)。當3個收發(fā)子陣進行360°方位掃描時，三角形外的圓形區(qū)域內(nèi)也有探測數(shù)據(jù)，這些區(qū)域稱之為普通探測區(qū)。由于每個收發(fā)子陣是方位360°掃描、俯仰0°～90°掃描，因此，三維探測區(qū)和普通探測區(qū)均被立體掃描，三維探測區(qū)是以3個收發(fā)子陣構(gòu)成的三角形為截面的三角形柱體(圖2b)。

圖2 三收發(fā)子陣陣列天氣雷達布局及探測示意圖(a)布局及探測范圍，(b)三維精細探測空間Fig.2 Deployment diagram and spatial detection schematic diagram of AWR consisting of three transmit-receive subarrays(a)deployment and detection range,(b)three-dimensional fine spatial detection

3個收發(fā)子陣是陣列天氣雷達最基本的構(gòu)成(圖2a)，收發(fā)子陣間隔為20 km，因此，要覆蓋更大的區(qū)域，如北京市需要更多的收發(fā)子陣按三角形布局。圖3給出了覆蓋北京市的陣列天氣雷達收發(fā)子陣布設示意圖。圖3中每個三角形的頂點設1個收發(fā)子陣，總共布設14個收發(fā)子陣，相鄰收發(fā)子陣間隔20 km，三維探測區(qū)面積約為3518.23 km2，可以實現(xiàn)對北京市六環(huán)內(nèi)區(qū)域的全空域三維精細化探測。

圖3 北京市陣列天氣雷達布設示意圖Fig.3 AWR deployment schematic diagram in Beijing

3 陣列天氣雷達探測掃描方式

3.1 收發(fā)子陣波束形成和掃描方式

陣列天氣雷達收發(fā)子陣采用一維相控陣掃描技術(shù)，即垂直方向采用電掃描，水平方向采用機械掃描。水平方向波束是通過微帶天線自身的微帶網(wǎng)絡而形成。垂直方向波束形成采用數(shù)字波束形成技術(shù)，相對模擬波束形成技術(shù)其優(yōu)點包括：無一般微波電路的調(diào)整要求，特性具有內(nèi)在重復性；系統(tǒng)測試簡便；具有再組合和可編程能力。垂直方向波束通過64個發(fā)射和64個接收通道幅度、相位設置而完成，改變64個發(fā)射通道及接收通道的幅度和相位即改變了波束的形狀和指向。垂直方向最多可同時形成16個波束，即同時探測16個方向。

利用數(shù)字波束形成技術(shù)的再組合和可編程能力，陣列天氣雷達的收發(fā)子陣掃描工作模式主要有兩種：三維探測模式和一般探測模式。三維探測模式垂直方向采用64個波束覆蓋0°～90°，分4次掃描完成，依次覆蓋0°～22.5°，22.5°～45°，45°～67.5°，67.5°～90°。每次發(fā)射一個寬度為22.5°的波束，接收回波信號后，通過數(shù)字波束形成得到16個平均波束寬度為1.6°的波束(圖4)。水平方向采用機械掃描方式，天線旋轉(zhuǎn)速度30°·s-1，完成60°方位掃描，需要2 s，即完成一個三維探測子區(qū)只需2 s。因此，只要控制3個子陣同時進入三維精細探測區(qū)(三角形)，在三維探測區(qū)3個子陣的探測數(shù)據(jù)時差小于2 s，從而保證速度合成的有效性。當然，3個子陣掃描波束空間不能重合還會帶來速度合成誤差，但這種誤差比數(shù)據(jù)時差帶來的誤差小很多。

一般探測模式下，一個波束發(fā)射，一個波束接收，波束寬度1.6°(垂直、水平)，垂直方向可設置多仰角(如14個)。水平方向采用機械掃描方式，天線旋轉(zhuǎn)速度10°·s-1。該方式類似現(xiàn)有天氣雷達掃描方式，探測距離可擴展至150 km，用于搜索和預警。

圖4 三維探測模式波束示意圖(a) 發(fā)射波束，(b)接收波束Fig.4 Beam schematic diagram of a three-dimensional detection mode(a)transmitting beam,(b)receiving beam

3.2 陣列天氣雷達協(xié)同掃描

在陣列天氣雷控制與數(shù)據(jù)處理中心協(xié)同下，每3個相鄰收發(fā)子陣為1組同步探測。這3個收發(fā)子陣同時進入三維探測區(qū)，也就是說3個相鄰收發(fā)子陣在同一空間的探測數(shù)據(jù)最大時間偏差僅2 s。對于多于3個收發(fā)子陣的陣列天氣雷達來說，每3個相鄰收發(fā)子陣為1組，依次完成協(xié)同掃描。圖5是7個收發(fā)子陣(A，B，C，D，E，F(xiàn)，G)組成6個三維探測區(qū)的陣列天氣雷達掃描順序列示意圖，圖5中的數(shù)字是探測掃描三維探測區(qū)的順序，字母表示收發(fā)子陣。首先是A，B，C 3個收發(fā)子陣開始同步掃描其構(gòu)成的三維探測區(qū)，每個收發(fā)子陣水平掃描60°范圍，俯仰掃描0°～90°范圍，A，C，D 3個收發(fā)子陣開始同步掃描其構(gòu)成的三維探測區(qū)，經(jīng)過6次協(xié)同掃描，可完成整個六邊形區(qū)域的三維探測掃描。表2給出了收發(fā)子陣分組掃描順序。

圖5 6個三維探測子區(qū)的掃描順序示意圖Fig.5 Scan sequence diagram of six three-dimensional detection subzones

完成一個三維探測區(qū)的時間為2 s，12 s可以完成6個三維探測區(qū)域的掃描。一個非常重要的特性是在所有三維探測區(qū)中，相鄰3個收發(fā)子陣在同一空間點的探測數(shù)據(jù)時差最大僅2 s。是現(xiàn)有3部天氣雷達組網(wǎng)進行三維探測的探測數(shù)據(jù)時差的1/30，從而保證了徑向速度合成速度的有效性。

表2給出了6個、10個、14個三維探測區(qū)的收發(fā)子陣協(xié)同掃描的順序。從表2可以看到，不管多少個三維探測區(qū)，整個三維探測區(qū)僅需6次協(xié)同掃描就能完成，即12 s就能完成整個三維探測區(qū)掃描。

表2 分組同步掃描順序Table 2 Group synchronous scanning sequence

4 陣列天氣雷達收發(fā)子陣定標

陣列天氣雷達收發(fā)子陣有64個天線振子、64個發(fā)射通道、64個接收通道，回波強度定標是定量探測的關(guān)鍵所在。收發(fā)子陣的波束方向性也由各通道的幅度和相位決定。因此，收發(fā)子陣的定標是陣列天氣雷達最為重要的環(huán)節(jié)之一。由傳統(tǒng)雷達方程[16]引出如式(1)給出的陣列天氣雷達方程，

(1)

表達雷達性能的參數(shù)包括回波強度Z、發(fā)射波長λ、雷達到目標物距離R、接收功率Pr、發(fā)射峰值功率Pt、天線發(fā)射增益Gt、天線接收增益Gr、水平波束寬度φ、垂直波束寬度θ、有效照射體深度h=0.5×cτ(c為光速，τ為脈沖寬度)及常數(shù)K。所謂雷達系統(tǒng)定標就是測定或確定這些參數(shù)，主要包括3方面工作：通過金屬球直接測量φ和θ，通過金屬球回波數(shù)據(jù)計算定標常數(shù)C，通過儀表測定λ和h(τ)。

4.1 金屬球回波數(shù)據(jù)獲取

所用的金屬球直徑為20 cm或40 cm。采用微型旋翼機(需根據(jù)金屬球離雷達的距離計算旋翼機離金屬球的距離)、氣球或風箏攜帶升空。金屬球升空到一定高度后，陣列天氣雷達收發(fā)子陣開始進行0°～90°俯仰電掃描和0°～360°方位機械掃描，獲取俯仰0°～90°，360°方位體掃數(shù)據(jù)。根據(jù)金屬球的GPS位置數(shù)據(jù)，從體掃數(shù)據(jù)中得到金屬球的回波數(shù)據(jù)集。

4.2 計算定標常數(shù)C

對于X波段而言，電磁波處在光學反射區(qū)。由傳統(tǒng)雷達方程[16]引出如金屬球的雷達方程，如式(2)所示：

(2)

式(2)中，Gr為天線接收增益，Gt為天線發(fā)射增益，Pt為發(fā)射峰值功率，λ為發(fā)射波長，Pr為接收功率，σ為金屬球雷達散射截面，R為金屬球到雷達的距離。令

Pr=PC1+C2，

(3)

式(2)中，Pr為收發(fā)子陣信號處理器輸出的接收功率，C1和C2為過渡常數(shù)，將式(3)帶入式(2)，

(4)

則

(5)

由式(5)整理，得

(6)

由式(4)和探測不同距離的金屬球，也可以推導出

(7)

P1，P2是金屬球分別在R1和R2收發(fā)子陣信號處理器輸出的接收信號值，R1，R2是金屬球與收發(fā)子陣的距離，令

(8)

CC1=GrGtPt。

(9)

將式(3)和式(9)代入式(1)，得

(10)

將通過金屬球得到的C，C2/C1，λ，φ，θ，h的具體數(shù)值代入式(10)，從而完成回波強度定標。

5 長沙機場布設的陣列天氣雷達探測數(shù)據(jù)

2018年3月31日湖南宜通華盛技術(shù)有限公司在長沙機場布設了包括3個收發(fā)子陣的陣列天氣雷達(布局如圖6所示)。相應收發(fā)子陣間距約20 km，機場跑道在3個子陣的中間。20 km正是X波段天氣雷達大多數(shù)降水天氣條件下能夠穿透的距離。圖7為子陣1架設在鐵塔上的照片。

圖6 長沙機場陣列天氣雷達布局Fig.6 AWR deployment diagram at Changsha Airport

圖7 架設在長沙機場鐵塔上的子陣1Fig.7 No.1 subarray on the top of an iron tower at Changsha Airport

布設完成后，陣列天氣雷達開始協(xié)同探測。2018年4月22日陣列天氣雷達探測到降水過程，由3個子陣的探測的徑向速度，V1,V2,V3合成得到速度V，

V=V1+V2+V3。

(11)

圖8是2018年4月22日15:22(北京時，下同)1000 m至4000 m高度風場。由圖8可以看到，1000 m到2000 m高度為偏南風，3000 m和4000 m高度為偏西風。此外，圖8還給出了以上4個高度的降水回波強度。

圖9為2018年5月20日18:20陣列天氣雷達子陣2仰角為21°探測到的降水回波強度。該降水過程與長沙SA波段多普勒天氣雷達探測的1.5°仰角降水回波對比后可知，陣列天氣雷子陣2與多普勒天氣雷達探測的降水回波分布和最大值(圖略)基本一致，但子陣2外側(cè)回波強度小于多普勒天氣雷達回波強度；子陣2在該探測過程中處于強天氣探測模式，最小回波強度大于多普勒天氣雷達最小回波強度。

圖8 2018年4月22日15:22長沙機場陣列天氣雷達探測并計算出不同高度風場(風羽)及降水回波強度(填色)Fig.8 Calculated wind field(the barb) and intensity of precipitation echo data(the shaded) acquired by the AWR deployed at Changsha Airport from 1000 m to 4000 m height at 1522 BT 22 Apr 2018

圖9 2018年5月20日18:20長沙機場陣列天氣雷達子陣2在21°仰角探測的降水回波強度(由中心到外層距離圈分別為3 km，10 km和20.28 km)Fig.9 Intensity data acquired by the 2nd subarray of the AWR with 21° elevation deployed at Changsha Airport during a rain process at 1820 BT 20 May 2018(distance ranges from the center to outer circles are 3 km,10 km and 20.28 km，respectively)

6 小 結(jié)

陣列天氣雷達是針對小尺度天氣系統(tǒng)精細化探測需求，在國內(nèi)外網(wǎng)絡化和相控陣技術(shù)[17-19]發(fā)展的大技術(shù)背景下設計研制的。陣列天氣雷達主要解決的是云雨目標三維速度場探測和俯仰角0°～90°全覆蓋探測。多普勒天氣雷達能夠獲得云雨目標的徑向速度[20]，但空間一點的單個徑向速度無法完整反映云雨粒子及大氣的運動，陣列雷達的出現(xiàn)是天氣雷達從獲取云雨目標的熱力學信息到同時獲取動力學信息的邁進。多雷達組網(wǎng)探測能夠獲得多個徑向速度，但多雷達探測同一空間點徑向速度的時間差過大，造成對于快速變化的小尺度強對流天氣系統(tǒng)[21-23]，速度合成誤差大或無效[24]。正是由于中國氣象局布網(wǎng)的多普勒天氣雷達以及現(xiàn)在新發(fā)展起來的網(wǎng)絡化雷達在探測中小尺度強對流天氣系統(tǒng)時存在的諸多問題，中國氣象局氣象探測中心開展了陣列天氣雷達的研發(fā)工作，得到以下初步成果：

1) 陣列天氣雷達采用分布式相控陣技術(shù)體制，通過每3個相鄰收發(fā)子陣一組協(xié)同掃描，使每個空間點都有3個徑向速度，并且每個空間點3個徑向速度值的時差小于2 s，保證徑向速度能夠正確合成速度。

2) 陣列天氣雷達的收發(fā)子陣采用先進的數(shù)字波束形成技術(shù)，可以同時形成16個波束探測16個方向。0°～90°俯仰范圍分為4次探測，每次探測16個方向，即完成0°～90°俯仰角范圍全覆蓋探測的時間約48 ms。完成0°～90°俯仰角，360°方位角范圍全覆蓋探測的時間僅需12 s。

3) 陣列天氣雷達收發(fā)子陣有64個發(fā)射通道和64個接收通道，已采用金屬球?qū)κ瞻l(fā)子陣進行出廠定標和現(xiàn)場定標，從而保證了回波強度計算的準確性。

具有3個收發(fā)子陣的陣列天氣雷達已經(jīng)安裝在民航長沙機場，并獲取三維速度場和回波強度數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)可以得到一些小尺度天氣系統(tǒng)的較為精細的信息。但陣列天氣雷達技術(shù)發(fā)展和應用還存在很多需要探索的問題，需要不斷努力。